Стеллит
Стеллиты (англ. Stellite, от лат. stella - звезда) — группа литых твёрдых сплавов на основе кобальта и хрома с добавками вольфрама и/или молибдена для напыления, наплавки и напайки деталей машин, станков и инструмента с целью повышения износостойкости. Исторически предшествовали широко известным спечённым твёрдым сплавам ("победит" и т.п.). В отличие от них стеллит менее хрупок, более стоек к механическим и термическим ударам, допускает нанесение наплавкой, не требует алмазного инструмента для заточки. Изобретён Элвудом Хейнсом в 1907 году. В настоящее время торговая марка Stellite® — собственность группы компаний Kennametal Stellite Group. В отечественной литературе и практике наименование традиционно используется как нарицательное.
Свойства
Основные свойства стеллитов, определяющие сферу их применения - ударопрочность, жаростойкость порядка 800°С, высокая коррозионная стойкость. Стеллиты пригодны к литью, наплавке и напылению, в том числе при восстановлении инструмента в условиях предприятия-пользователя. Коэффициент теплового расширения стеллита близок к таковому для легированных инструментальных сталей. Стеллит в общем случае не требует термообработки, нечувствителен к отпуску. Для формовки и заточки наплавленных зубьев используются обычные абразивные круги (эльбор, карборунд, корунд).
Применение стеллита ограничивают высокая стоимость сплава, сложность обработки и выплавки в сравнении с легированной сталью, а также повышенные требования к чистоте исходных материалов. В определённых условиях (материал основы, температурные режимы нанесения) стеллитовые покрытия склонны к растрескиванию, и в ответственных применениях требуется особый контроль на микротрещины.
Применение
Стеллит широко применяется для наплавки зубьев лесопильных полотен и дисков, ножей и фрез деревообрабатывающих станков. Благодаря ударопрочности стеллита, более прочной связи с основанием, чем при пайке латунью, и близким ТКР полотна и наплавки, стойкость такого инструмента в работе по заготовкам неправильной формы с неоднородностями и посторонними включениями выше, чем напаянного более твёрдыми спечёнными сплавами[1].
В силу тех же свойств стеллиты нашли применение для упрочнения и восстановительного ремонта рабочих органов землеройных машин, дробилок и другого строительного, горнодобывающего и перерабатывающего оборудования.
В конструкциях автоматического огнестрельного оружия стеллит используется для изготовления вкладок в стволы (лайнеров) и деталей механизма, подверженных трению и эрозии при стрельбе. В частности, варианты стволов со стеллитовыми вставками в первой трети со стороны казенной части имеются для американских пулемётов Браунинг M2 и M60. Лейнированные стволы могут сохранять работоспособность внутренней поверхности, будучи раскалены в процессе стрельбы до появления мелких частиц отслаивающейся окалины на наружных слоях, без потери свойств при последующих циклах нагрева и охлаждения. На испытаниях M60 было отстреляно 50 метров ленты одной очередью, ствол раскалился докрасна, но после остывания остался практически неповреждённым[2].
Благодаря сочетанию твёрдости, жаропрочности и коррозионной стойкости стеллит используется для изготовления и упрочнения наиболее напряжённых деталей тепловых двигателей. Это клапаны и клапанные сёдла поршневых ДВС, входные кромки и установочные поверхности рабочих лопаток паровых и газовых турбин[3][4], регулирующие детали паровых и газовых трактов. Срок службы упрочнённых таким образом элементов часто определяется усталостными характеристиками основного материала, а не износом покрытия.
Также стеллит используется для покрытия деталей кислотостойкой химической аппаратуры, шнеков питателей и дозаторов, изготовления шариковых и регулирующих клапанов и в других узлах, где требуется стойкость к истиранию, эрозии, химическому воздействию, кавитации в сочетании с ударопрочностью, сравнительной лёгкостью нанесения и обработки. Известны проблемы, вызванные применением стеллита и других кобальтсодержащих сплавов в аппаратуре атомных электростанций, где вымывание небольших количеств кобальта технологическими жидкостями и их последующее нейтронное облучение в реакторе приводило к образованию кобальта-60 и увеличению жёсткого гамма-облучения персонала.
Благодаря биологической инертности стеллиты используются для изготовления медицинских имплантатов, а также в зубопротезировании. В частности, с применением стеллита был изготовлен первый коммерчески доступный искусственный сердечный клапан (Starr—Edwards, 1960 г).
Для нанесения стеллита на металл основы первоначально применялась наплавка ацетилен-кислородным пламенем, затем электродуговая наплавка под флюсом и в защитных газах, плазменная и лазерная наплавка, газотермическое и плазменное напыление. Новые технологии позволяют получить равномерное покрытие заданной толщины на большой площади, избежать нежелательного перегрева детали, в отдельных случаях - обойтись без финишной обработки наплавленной поверхности. Напайка готовых стеллитовых элементов бывает оправдана при желании использовать имеющееся оборудование и технологию напайки спечённых твёрдых сплавов, либо при особых требованиях по допустимому нагреву детали, характеристикам шва и т.п.
Состав
Основа классического стеллита - кобальт (~50-60%) и хром (~30%) с добавкой порядка 10% вольфрама и небольших количеств других элементов (см. таблицу), в том числе углерода. Готовый материал представляет собой вязкую металлическую матрицу (кобальт, хром, вольфрам) с включёнными в неё твёрдыми карбидами хрома и вольфрама. Увеличение содержания углерода в сплаве приводит к выделению свободных карбидов, увеличению твёрдости и хрупкости, и наоборот - сплавы с меньшим содержанием углерода менее твёрды, но более прочны и вязки.
Известно множество стеллитов и стеллитоподобных сплавов, состав которых оптимизирован для работы в определенных температурных условиях, агрессивных средах, с учётом требований деформируемости, особенностей технологии нанесения и сочетания с металлом основы, приемлемой стоимости. Параметры отечественных стеллитовых прутков для наплавки марок Пр-С27 (фактически сормайт), Пр-В3К и Пр-В3К-Р регламентируются ГОСТ 21449-75; допуски по составу в данном стандарте достаточно велики (несколько процентов по основным элементам) и принимались в расчёте на неответственные применения типа деревообработывающих и землеройных машин[5]. Получение более предсказуемых свойств сплава вблизи эвтектики требует точного соблюдения обоснованно выбранного состава.
Подвидами стеллита являются сплавы Talonite (материал для ножей, подвергаемый горячей прокатке и закалке) и Vitallium (для зубных протезов и имплантации). Родственный стеллиту сплав на основе железа - сормайт.
Химический состав, масс. %
| Марка | Co (основа) | Cr | W | Fe | C | Si | Mn | Ni | Mo | Sb | S | P |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ПР-С27 | — | 25,0…28,0 | 0,2…0,4 | ~64 (основа) | 3,3…4,5 | 1,0…2,0 | 1,0…1,5 | 1,5…2,0 | 0,08…0,12 | — | 0,07 | 0,06 |
| ПР-В3К | ~ 59 | 28,0…32,0 | 4,0…5,0 | 2,0 | 1,0…1,3 | 2,0…2,7 | — | 0,5…2,0 | — | — | 0,07 | 0,03 |
| ПР-В3К-Р | ~ 58 | 28,0…32,0 | 7,0…11,0 | 3,0 | 1,6…2,0 | 1,2…1,5 | 0,3…0,6 | 0,1…2,0 | — | 0,02…0,1 | 0,07 | 0,03 |
| ВК2 | 47…53 | 27…33 | 13…17 | 2,0 | 1,8…2,5 | 1…2 | 1,0…1,5 | 2…3 | ||||
| ВК3 | 58…62 | 28…32 | 4…5 | 2,0 | 1,0…1,5 | 2,5…2,8 | 2…3 | |||||
| КВ5Х30 | 58…62 | 28…32 | 4,5-5 | 2…4 | 1,0…1,5 | 1…2 | 1…2 | |||||
| Stellite 1 | ~ 48 | 33,0 | 13,0 | < 2,5 | 2,45 | 1,0 | 1,0 | < 2,5 | ||||
| Stellite 3 | ~ 48 | 30,0 | 13,0 | < 3,0 | 2,45 | 1,0 | 1,0 | < 2,5 | ||||
| Stellite 4 | ~ 48 | 30,0 | 14,0 | < 3,0 | 1,0 | 1,0 | 1,08 | < 2,0 | ||||
| Stellite 6 | ~ 58 | 28,0 | 4,5 | < 3,0 | 1,2 | 1,1 | 1,0 | < 3,0 | ||||
| Stellite 12 | ~ 53 | 29,5 | 8,5 | < 2,5 | 1,4…1,85 | 1,5 | 1,0 | < 3,0 | ||||
| Stellite 21 | ~ 59 | 27,0 | — | < 3,0 | 0,25 | 1,5 | 1,0 | 2,5 | 5,5 | |||
| SP1040 | ~ 48 | 31,5 | 17,0 | < 1,0 | 2,0 | 1,0 | ||||||
| SP1126 | ~ 53 | 24,5 | 13,5 | < 3,0 | 1,8 | < 1,6 | 1,5 | 1,0 | ||||
| Tribaloy T-400 | ~ 57 | 8,5 | — | < 1,5 | < 0,08 | 2,6 | < 1,5 | 29,0 |
Примечания
- ↑ [1] Архивная копия от 26 сентября 2020 на Wayback Machine "Методы стеллитирования лесопильных дереворежущих инструментов" - ЛесПромИнформ №2 (140), 2019 г.
- ↑ [tech.wikireading.ru/1600] Роджер Форд. Пулемет на полях сражений XX века. М., 2006, гл.15
- ↑ [2] Архивная копия от 27 января 2020 на Wayback Machine Петров Г.Л. и др. Сварка жаропрочных нержавеющих сталей, Л., 1963, с.208
- ↑ [3] Архивная копия от 27 января 2020 на Wayback Machine Лазерная наплавка упрочняющих стеллитовых покрытий... - АО "Плакарт"
- ↑ [4] Архивная копия от 27 января 2020 на Wayback MachineФурман И.Е. Совершенствование составов и способов литья кобальтовых стеллитов. Автореферат диссертации.